Нагрузки. Расчет деталей на прочность. Сдвиг, кручение

Червячные редукторы относятся к классу гиперболических передач, в основу которого заложено пересечение гиперболоидов (Рис. 9.16).

а) б)

Рис. 9.16

В зоне контакта А1А2 стиль зацепления дает гипоидную передачу, в зоне В1В2 - дает винтовую передачу (или червячную), где зубья колеса и червяка нарезаются по винтовой линии (спирали).

По конфигурации червяка червячные передачи делят на цилиндрические (Рис. 9.17, а) и гипоидные (Рис. 9.17, б).

а) б)

Рис. 9.17

Силовое взаимодействие червяка и колеса в зоне контакта у гипоидных передач больше, однако гипоидные передачи дороже в изготовлении.

Профиль зуба червячных передач может быть трапециидальным. Недостатком таких передач является большие потери трения, поэтому чаще используют эвольвентный профиль зуба.

Геометрия червячного зацепления связана с тем, что при зацеплении зубья червяка и червячного колеса вынуждены преодолевать силу трения (скольжения).

Рис. 9.18

При вращении червяка возникают осевая хос и тангенциальная хt скорости, векторная сумма которых дает скорость скольжения хск(Рис. IX. 18), направленную по касательной к спирали нарезки червяка. При подъеме нарезки червяка под углом г:

.

Скорость скольжения функционально связана с коэффициентом трения червячной передачи. Чем больше скорость скольжения (трения), тем больше угол трения с (коэффициент трения):

,

тогда расчетный КПД передачи определяется углом трения ц:

.

Реальные потери на трение в червячной паре рассчитываются через реальный КПД:

,

где u - передаточное отношение между червяком и червячным колесом, определяемое числом zч. спиралей (заходов), нарезанных на червяке, и числом zч.к. зубьев червячного колеса:

.

В связи с большими потерями на трение, КПД червячной передачи (з=0,7) значительно ниже КПД зубчатой передачи (з?0,95). Энергия, затрачиваемая на преодоление трения, необратимо переходит в тепловую. Поэтому червячные передачи требуют обильной смазки, уменьшающей трение и отводящей значительное количество тепла. Количество смазки определяется долей G тепловой энергии:

и рассчитывается по формуле:

,

где Gм - расход масла теплоемкостью См масла, понижающего температуру на ?t.

Общие геометрические зубчатой пары червячной передачи не отличаются от зубчатого зацепления. Общими габаритными параметрами являются диаметр dщЧ окружности нарезки червяка (или делительной окружности), диаметр dаЧ окружности выступов и диаметр dfЧ окружности впадин (Рис. 9.19).



Рис. 9.19

Наряду с этим и для червячного колеса, и для червяка общим геометрическим параметром является модуль зацепления m. Однако на практике диаметр dщЧ окружности нарезки червяка определяется коэффициентом q диаметра червяка, выбираемого в зависимости от нагруженности пары и передаваемой редуктором мощности:

.

Коэффициент диаметра червяка - экспериментальная величина, определяющаяся по практическим рекомендациям, безразмерна.

Тогда:

,

.

Зазор у червячной пары берется несколько меньше, чем в зубчатой передаче.

Основной габаритной величиной для ступени передачи является межосное расстояние ащЧ,Ч.К., выносимое в марку червячного редуктора и являющееся основной расчетной величиной при расчете пары на прочность:

.

Расчет червячной передачи на прочность учитывает комплекс сил, действующих в червячной паре. Спираль червяка толкает червячного колеса с осевой силой Qос, вращение червяка приводит к появлению тангенциальной (крутящей) Qt силы, радиальным усилием, действующим от червяка на червячное колесо, является радиальная QR сила (Рис. 9.20).

Рис. 9.20

Эти усилия организуют нагрузку червячного колеса: осевое усилие червяка обеспечивает крутящее Ft на червячном колесе, Qt создает осевое усилие Fос для червячного колеса, QR приводит к появлению радиального усилия FR. Все усилия передачи определяются из соотношения, входящего в крутящий момент. В зоне контакта спирали червяка и зуба колеса опасным является контактное напряжение, поэтому основой расчета червячной передачи на прочность является расчет межосного расстояния ащЧ,Ч.К. по эмпирической формуле:

,

где Е - модуль упругости материала с учетом того, что материалы червяка и червячного колеса одинаковы (в противном случае, в качестве модуля упругости Е берется среднее арифметическое модулей упругости червяка и червячного колеса);

Мкр - крутящий момент на червячном колесе;

zЧ. - число витков на червяке;

zЧ.К. - число зубьев на червячном колесе;

Кр - коэффициент режима, зависящий от частоты остановок и включений, а также реверсирования (обратного хода) вращения червяка;

Контактное напряжение [ук] не рассчитывается, а выводится по полуэмпирической формуле:

,

где 2НВ - число единиц твердости поверхности червяка, определенное методом Бринелля.

Таким образом, расчет червячной пары основывается на выборе элементарного габаритного параметра q червяка с последующим расчетом межосевого расстояния ащЧ,Ч.К. червяка и червячного колеса.



Рис. 9.21

Конструкция червячного зацепления обычно компонуется таким образом, что червячное колесо - составное. В связи с большим трением в зоне контакта для червяка выбирается материал более прочный, чем для червячного колеса. Для колеса выбираются материалы с достаточной прочностью, но с меньшим коэффициентом трения. Ради понижения трения могут применяться цветные металлы и сплавы, что очень дорого, поэтому червячное колесо составное, где основной контур - ступица - выполняется из стали с последующей заливкой бронзой (Рис. 9.21).

Шестеренные насосы.

Шестеренные насосы служат для перекачивания жидкостей различной вязкости. В качестве рабочего органа в шестеренных насосах используется шестерня (Рис. 9.22).



Рис. 9.22

В корпусе насоса зубья колес находятся в зацеплении, и вращение одного (ведомого) колеса приводит к движению другого (ведомого) колеса. Принцип действия насоса основан на перемещении жидкости, находящейся между зубьями колес. Жидкая фаза, поступая в межзубное пространство, переносится вращением ведомого колеса в зону нагнетания и выжимается ответным зубом.

Производительность Q шестеренного насоса определяется площадью f поперечного сечения пространства между зубьями колес, числом z зубьев колес, шириной b зуба и числом n оборотов:

.

Очевидно, размерность производительности Q:

.

Эффективность насоса по производительности определяется объемным коэффициентом полезного действия зV, зависящим от точности изготовления корпуса и в частности от величины зазоров внутри корпуса, производительности Q и давления нагнетания Рн, создаваемого шестерней в зоне нагнетания (Рис. 9.22).

10. Теория взаимозаменяемости

Часто в производстве приходится менять детали машины, что требует массового изготовления деталей. Теория взаимозаменяемости получила свое распространение в результате необходимости массового изготовления одинаковых деталей. При этом взаимозаменяемость базируется на простых постулатах:

Невозможно изготовить абсолютно одинаковые детали.

Чем точнее деталь изготавливается, тем она дороже.

Зачастую дешевле заменить изношенную деталь машины, чем приобретать новую машину.

Допуски и посадки.

Все детали машин, рассматриваемые механикой, делятся на отверстия и валы. Отверстие - элемент (или деталь), охватывающий ответную деталь. Вал - элемент (или деталь), охватываемый отверстием. Размер (номинальный) посадочного места для отверстия обозначается заглавной латинской буквой (А, В, С и т.д.), для вала - латинской прописной (а, b, с и т.д.) (Рис. 10.1).

Рис. 10.1

В связи с тем, что никогда точно нельзя деталь изготовить (причиной чего может быть неточность изготовления инструментов, оборудования самого изготовления детали и др.), вводят максимальный, минимальный, номинальный размеры. Номинальный размер элемента детали получают из расчетов или принимают из конструктивных соображений. Максимальный и минимальный размеры являются наибольшим и наименьшим предельными размерами детали соответственно.

На практике допускается отклонение реального размера от номинального в определенных пределах, т.е. вал (или отверстие) может быть изготовлен с некоторыми отклонениями (Рис. 10.2).

Рис. 10.2

Верхним предельным отклонением размера называется разница между наибольшим предельным и номинальным размерами для вала:

и для отверстия:

.

Нижним предельным отклонением размера называется разница между наименьшим предельным и номинальным размерами для вала:

и для отверстия:

.

Величина допускаемого отклонения Т - разница между максимальным и минимальным размерами для отверстия:

,

для вала:

.

Диапазон допускаемых размеров называется полем допуска. Допуски определяют характер изготовления и сопряжения деталей. Разработаны стандарты (порядка 28 разновидностей) расположения полей допусков и их обозначений.

Рис. 10.3

Для полей Н (для отверстия) и h (для вала) нижнее предельное отклонение EI и верхнее предельное отклонение es соответственно равны нулю (Рис. 10.3). Поля a, b, c, d, …, g показывают, что вал меньше номинального, поля от А до H - больше номинала, а начиная с поля H и ниже отверстия становятся уже.

Точность изготовления детали определяется квалитетом точности (всего 19 квалитетов). Графически квалитет показывает высоту поля допуска. Чем меньше квалитет, тем более жесткие требования предъявляются к изготовлению детали. Самые точные детали изготавливаются с квалитетами 0, 01, 1, 2, 3, 4, что составляют первую группу квалитетов, используемую в точной механике и ответственных отраслях промышленности. Вторая группа (5, 6, …, 10) используется для изготовления обычного, наиболее распространенного оборудования. Квалитеты точности для несопрягаемых поверхностей составляют третью группу.

На чертежах величины верхнего и нижнего предельных отклонений указываются в скобках мелкими цифрами (мм) за номинальным размером и полем допуска, например, или .

Примечание. Нулевые значения предельных отклонений размеров на чертежах не пишутся!

Определенное назначение поля допуска определяет посадку в данном сопряжении. В соответствие с ГОСТом посадки делят на посадки с зазором, с натягом и переходные посадки, допускающие наличие как зазора, так и натяга.

Зазором называется пространство (щель) между валом и отверстием (Рис. 10.4). Максимальным зазором является разница между наибольшим размером отверстия и наименьшим размером вала:

,

следовательно, допуском на назначаемый зазор является сумма величин допусков для отверстия и вала:

.

Особенностью посадки с зазором является то, что на схеме сопряжения поле допуска отверстия располагается всегда выше поля допуска вала, расположение нулевой линии может быть любым.

Рис. 10.4

Посадка с натягом обеспечивает неподвижное соединение деталей, поля допуска отверстия и вала позволяют оценить степень неподвижности. Имея в виду то, что при посадке с натягом вал должен быть больше отверстия, мы можем определить величину натяга (Рис. 10.5).



Рис. 10.5

Максимальный натяг Nmax:

и минимальный натяг Nmin:

,

тогда допуск размера натяга TN:

.

Особенностью посадок с гарантированным натягом является то, что поле допуска вала всегда располагается под полем допуска отверстия, тогда как расположение нулевой линии может быть любым.

Некоторые особенности имеют и переходные посадки (Рис. 10.6).



Рис. 10.6

Максимальным зазором для данной посадки является:

,

минимальный зазор (показано пунктиром) равен нулю. В переходных посадках поля допуска отверстия и вала могут либо пересекаться, либо включать себя друг в друга.

Особенность обеспечения посадок зависит от того, каким образом изготавливаются вал и отверстие. В этом плане различают системы изготовления или обеспечения посадок - систему отверстия и систему вала, которые отличаются тем, что технологически отверстие изготавливать труднее, чем наружную поверхность вала. Легче купить стандартное изделие - вал или отверстие, а дальше подгонять отверстие или вал соответственно под него.

Система отверстия, где все отверстия изготавливаются с полем допуска Н, наиболее предпочтительна. Поле Н характеризуется тем, что нижнее предельное отклонение равно нулю, т.е. поле лежит на нулевой линии, при этом требуемая посадка обеспечивается подбором поля допуска вала Td (Рис. 10.7).



Рис. 10.7

В системе вала все валы изготавливаются с полем h, при котором верхнее предельное отклонение равно нулю, а требуемая посадка обеспечивается подбором поля допуска отверстия (Рис. 10.8).

Рис. 10.8

Признаком того, что данное сопряжение выполнено в той или иной системе, является обозначение полей. Например, посадка выполнена в системе отверстия, т.к. поле допуска отверстия в данной посадке - Н; посадка - в системе вала (поле допуска вала - h).

Примером посадки в системе отверстия является посадка подшипника качения на вал редуктора (Рис. 10.9).



Рис. 10.9

На хвостовик вала насаживается подшипник с небольшим натягом в системе отверстия. При посадкие подшипника в корпус работает система вала (подшипник является стандартным изделием). Посадка подшипника на вал и в корпус должна обеспечивать отсутствие значительных зазоров.

11. Опоры валов

Опора вала - базовый элемент расположения всех вращающихся деталей машины. По своему назначению подшипники подразделяются на опорные, воспринимающие радиальную нагрузку R (Рис. 11.1, а), осевые, обеспечивающие осевую реакцию Q (Рис. 11.1, б), и опорно-упорные (или радиально-осевые), обеспечивающие реакции как радиальные R, так и осевые Q (Рис. 11.1, в).

а) б) в)

Рис. 11.1

По принципу действия опоры делятся на подшипники качения и подшипники скольжения.

Подшипники скольжения.

Опора, выполненная в виде подшипника и работающая, преодолевая трение скольжения, называется подшипником скольжения. Подшипник скольжения является парой вращения, состоящей из опорного участка вала (цапфы) 1 и собственно подшипника 2, в котором скользит цапфа (Рис. 11. 2, а).

а) б)

Рис. 11.2

Цапфу, передающую радиальную нагрузку, называют шипом при расположении ее в конце вала (Рис. 11.2, а), и шейкой, если она находится в середине вала (Рис. 11.2, б). Форма рабочей поверхности подшипников и цапф может быть цилиндрической, конической или шаровой (применяется редко). Для уменьшения силы трения в подшипнике используется вкладыш 3 (Рис. 11.3), изготавливаемый из материала с малым коэффициентом трения (Бронза БрАЖХ, баббит (сплав свинца и олова), пирографит и углефторопласт, используемые в космической технике для обеспечения работы в вакууме).



Рис. 11.3

Подшипник в зазоре С должен иметь слой масла (Рис. 11.4). Однако если вал не вращается, то он лежит на вкладыше, а масло - неподвижным слоем в зазоре. При вращении вала масло «затаскивается» в зазор между валом и вкладышем, при этом вал всплывает в масляном слое. Такое взаимодействие приводит к тому, что в зоне, где вал опирается на вкладыш, развивается зона повышенного давления в слое масла. Так как непосредственный контакт отсутствует, то трение в подшипнике определяется законами гидродинамики.

Рис. 11.4

Суть расчета сводится к определению величины подъема h вала (Рис. 11. 4), определяемой соотношением высот неровностей шероховатостей Rz вала и отверстия:

,

где ?h - некоторая добавка.

За гидравлическим расчетом подшипников скольжения, как правило, следует проверка, осуществляемая в два этапа:

1 - расчет на прочность (износостойкость), суть которого сводится к тому, что удельное давление p вала на опорной поверхности подшипника не должно превышать допускаемой величины [p]:

,

где F - радиальная сила, с которой вал воздействует на опору;

l - длина опорной поверхности;

d - диаметр цапфы.

2 - тепловой расчет, базируемый на применении комплекса:

,

где р - давление, организуемое валом на опорной поверхности;

v - линейная окружная скорость на периферии цапфы. Анализ размерностей комплекса рv:

,

В итоге величина рv - энергия, затрачиваемая в единичном времени на энергию преодоления трения, переходящую в тепловую энергию. В связи с этим масло нагревается, а значит:

,

где Gм - расход масла;

См - теплоемкость масла;

?t - температурный градиент, величина нагрева масла.

Тогда расход масла Gм:

.

Эти режимные параметры позволяют выбрать необходимый режим работы подшипника с учетом того, что трение f (или коэффициент трения) изменяется с изменением угловой скорости щ вращения вала (Рис. 11.5).

Рис. 11.5

Режим сухого трения (зона I) характеризуется малыми щ, при этом цапфа и вкладыш подшипника находятся в непосредственном контакте - коэффициент трения f принимает наибольшее значение. Увеличение щ приводит к увеличению масляного слоя между контактирующими поверхностями (зона II), в связи с чем наблюдается резкое уменьшение трения f - режим полужидкостного трения. Начиная с некоторой угловой скорости щ = щкр, при которой коэффициент трения принимает наименьшее значение f = fmin, вал отходит от подшипника (всплывает). Последующее увеличение угловой скорости (зона III) приводит к увеличению масляного слоя между валом и вкладышем подшипника, что приводит к увеличению трения - режим жидкостного трения.

Достоинствами подшипников скольжения являются бесшумность хода, способность работать с большими мощностями, малые радиальные габариты и простота монтажа (сборки), однако при этом необходимость обильной смазки и использования цветных металлов и сплавов, а также значительные осевые габариты являются недостатком подшипников скольжения. Особенность подшипников скольжения заключается в том, что опора разрушается с предварительными признаками разрушения.

Подшипники качения.

Наиболее часто на практике используются подшипники качения. Опора, работающая, преодолевая силу трения качения, называется подшипником качения. Достоинствами подшипников качения являются малая по сравнению с силой трения скольжения сила трения качения, возможность использования стандартных покупных изделий (т.е. возможность взаимозаменяемости) и малые осевые габариты; недостатки - большие радиальные габариты, некоторая сложность при монтаже и возможность внезапного разрушения.



Рис. 11.6

Подшипник качения имеет внутреннюю 1 и наружную 2 обоймы, комплект тел качения 3 (Рис. 11.6). Во избежание соприкосновения тел качения они отделяются друг от друга сепаратором 4. Некоторые подшипники снабжаются защитными шайбами.

По форме тел качения подшипники подразделяются на шариковые (Рис. 11.7) и роликовые (Рис. 11.8). Последние, в свою очередь, делят по форме роликов на подшипники с короткими (Рис. 11.8, а) и длинными (Рис. 11.8, д) цилиндрическими роликами, с коническими (Рис. 11.8, г), бочкообразными (Рис. 11.8, б) и игольчатыми (Рис. 11.8, в) роликами.

а) б) в) г) д) е)

Рис. 11.7

По числу рядов тел качения (расположенных по ширине подшипника) подшипники делят на однорядные (Рис. 11.7, а, в - е и 11.8, а, в - д), двухрядные (Рис. 11.7, б и 11.8, б) и четырехрядные.

а) б) в) г) д)

Рис. 11.8

Принцип действия подшипника качения основан на обкатывании тела качения 3 на внутренней обойме 1 вокруг собственной оси и перекатывании его по наружной обойме 2 (Рис. 11.9).

Рис. 11.9

Кинематика работы подшипника несколько усложнена тем, что тело качения совершает плоско-параллельное движение, поэтому подшипник не может быть рассчитан строго теоретически. Надежность и долговечность работы подшипника качения позволяют обеспечить экспериментальные данные и рекомендации. Экспериментально определяется кривая выносливости подшипника качения (Рис. 11.10), которая аналогично кривой усталостной прочности показывает функциональную зависимость приведенной радиальной нагрузки RЕ при динамическом нагружении подшипника от долговечности L подшипника:

,

где m - показатель выносливости, равный 3 для шариковых подшипников и 10/3 - для роликовых (ролик выдерживает большую нагрузку).

Рис. 11.10

В паспорт (каталог) подшипника выносится динамическая нагрузка (или грузоподъемность) С, которую данный подшипник выдержит при долговечности L=1 млн. оборотов. Следовательно:

,

тогда любая динамическая нагрузка С рассчитывается по формуле:

,

где L - долговечность подшипника в млн. оборотов.

В задачах обычно долговечность Lh задается в часах, следовательно:

,

где:

.

Приведенная нагрузка RE подшипника рассчитывается по формуле:

,

где Х, Y - коэффициенты радиальной Rr и осевой Rа нагрузок соответственно;

V - коэффициент вида работы, равный 1 при вращении внутренней обоймы и 1,2 - при вращении наружной обоймы;

Кб - эксплутационный коэффициент нагруженности, определяемый сроком службы;

Кt температурный коэффициент, изменяющийся с увеличением температуры tє подшипникого узла.

Радиальная Rr и осевая Rа нагрузки определяются с учетом добавки осевого усилия S от самого подшипника (Рис. 11.11), зависящим от угла г конусности данного подшипника.



Рис. 11.11

По вычисленной приведенной нагрузке RЕ определяют требуемую динамическую грузоподъемность Стр:

и исходя из условия:

подбирается подшипник качения.

машина деталь кручение подшипник

12. Надежность деталей машин

Устойчивость стержней.

Устойчивость - способность детали сохранять исходную геометрическую форму. Стержнем называют удлиненную деталь.

Наиболее опасным нагружением для стержня является продольный изгиб - изгиб под действием осевой продольной силы F (Рис. 12.1).



Рис. 12.1

До достижения некоторой величины Fкрит сила F сжимает стержень. При ослаблении нагрузки стержень вернется к исходной геометрической форме. С последующим увеличением силы наблюдается изгиб стержня, при этом остаточные деформации не позволяют вернуться к первоначальной форме.

Изгиб стержня осуществляется в сторону минимального момента Imin инерции сечения стержня, т.е. каждое из его поперечных сечений поворачивается вокруг той оси, относительно которой момент инерции минимален (Рис. 12.2, а):

а) б)

Рис. 12.2

,

,

,

следовательно:

.

Тогда, используя уравнение изогнутой балки:

,

можно описать изгиб стержня (Рис. 12. 2, б):

, (12. 1)

где у - плечо действия силы F.

Обозначим:

,

тогда из уравнения (XII. 1) получим дифференциальное уравнение второго порядка:

общее решение которого:

. (12. 2)

Наложение граничащих условий позволяет определить величины А и В уравнения (12.2). Если z = 0, тогда y = 0 и sin(kz) = 0, следовательно В = 0. Значит:

. (12.3)

Аналогично, при z, равном l, частным решением дифференциального уравнения (XII. 2) является уравнение (XII. 3). Однако, синус - функция периодическая, т.е.:

,

где n = 0, 1, 2, 3, …

При n > 1 стержень изгибается по кривой, включающей n полуволн (Рис. 12.3).

Рис. 12.3

Однако, практический анализ показывает, что эти решения не представляют интереса, т.к. описывают неработоспособные состояния вала (стержня). Наибольший интерес представляет решение:

. (XII. 4)

Исходя из уравнения (XII. 4) получим:

,

тогда критическое значение сжимающей силы Fкр для рассчитываемого стержня определяется по формуле:

. (12.5)

Рис. 12.4

На практике величина прогиба у зависит от способа заделки стержня, для чего в формулу (12.5) вводится приведенная длина стержня lприв:

,

где м - коэффициент приведения длины (Рис. 12.4),

тогда:

.

Величина критического напряжения укр исходя из формулы (12.5):

.

Отношение Imin/A называется радиусом инерции I, тогда:

, (12.6)

где соотношение мl/I является гибкостью л стержня,

,

тогда формулу (12.6) можно переписать:

. (12.7)

Выражение (12.7) называется формулой Эйлера.

Для стержней из малоуглеродистой стали формула Эйлера справедлива при гибкостях л > 100, а также при л > 80 - для чугуна. Обобщение этих данных сводится к построению диаграммы (Рис. 12.5), связывающей критическое напряжение укр с гибкостью л вала (или стержня).



Рис. 12.5

Стержни, для которых справедлива формула Эйлера, называются особо гибкими (зона III). Для стальных стержней с гибкостью л < 100 формула Эйлера несправедлива. Для расчета таких стержней используется полученная в результате обработки опытных данных формула Ясинского:

,

где а и b - величины, характеризующие качество материала, значения которых приводятся в технических справочниках. Для стали средней гибкости (зона II) формула Ясинского приводится к виду:

.

Для стержней, у которых критическое напряжение превышает предел текучести (гибкие стержни), критическое напряжение укр приравнивают пределу текучести ут (зона I), т.е. зона I диаграммы определяет состояние текучести материала, потерявшего свою работоспособность. Отсюда следует, что жесткие стержни при продольном нагружении следует рассчитывать на прочность. Гибкие валы рассчитываются на устойчивость, затем в случае необходимости - на прочность. Сам расчет на прочность ведется по предельному напряжению устойчивости [уу]:

,

где [nу] - коэффициент запаса устойчивости продольно нагруженного стержня.

Как правило:

,

где [у] - предел прочности вала;

ц - величина, зависящая от гибкости л вала (стержня) (Табл. XII. 1).

л	10	40	60	100	140
ц	1	0,9	0,8	0,65	0,3

Практическое значение этих расчетов заключается в определении компоновки машины, например, шнекового транспортера (Рис. 12.6).

Рис. 12.6

Основной задачей при конструировании машины является определение положения упорного подшипника. В случае, если подшипник поставить в начале вала, то под действием реактивной силы R вал при вращении будет сжиматься, что может привести к изгибу вала. Если шнек изогнется, то коснется корпуса транспортера. Поэтому рациональнее опорно-упорный подшипник размещать в конце трассы перемещения, тогда вал подвергается растяжению, а не изгибу.

13. Конструкционные материалы

Рациональный выбор материала определяет надежность и работоспособность любого оборудования, а стоимость конструкционного материала - применимость этого оборудования. Общая стоимость Со оборудования может быть рассчитана:

,

где Со - удельная стоимость конструкционного материала;

М - масса оборудования.

Основными требованиями к материалу являются прочность, коррозийная стойкость, температуростойкость, а также возможность обработки материала.

Основные разновидности конструкционного материала:

- черные металлы и сплавы;

- цветные металлы и сплавы;

- полимеры;

- композиционные материалы (композиты);

- уплотнительные материалы.

Черные металлы и сплавы.

Наибольшее распространение в применении получили черные металлы и сплавы, основной группой которых является чугуны и стали. Чугун - железоуглеродистый сплав с содержанием углерода более 2%. Основное назначение чугуна заключается в использовании его как исходного материала для выплавки стали. Сталью называют железоуглеродистый сплав с содержанием углерода меньше 2%. Углерод оказывает существенное влияние на качество сплава: повышенное содержание углерода придает сплаву твердость с точки зрения механических характеристик, в месте с тем при этом повышается материала. Очевидно, чугун - дешевые материал, но тяжелый, что делает невозможным применение его для емкостного оборудования.

Чугун подразделяют на:

- белый (Fe3O);

- серый (получают из белого чугуна путем выжигания);

- ковкий.

Белый чугун - чугун с большим содержанием углерода, твердый и поэтому редко используется в качестве конструкционного материала. В основном белый чугун используется как цементит - сырье для производства стали или дешевых фундаментальных изделий.

Серый чугун в отличие от белого может обрабатываться механически, однако его твердость не позволяет обработку деформацией. Из серого чугуна не изготавливаются штамповки, обычно берется литая заготовка, которая в последующем обрабатывается. Используется серый чугун для изготовления дешевых корпусных деталей, труб и арматуры. Маркировка серого чугуна включает последовательное перечисление прочности на изгиб и удлинения материала (последнее в настоящее время опускается), например, СЧ12-28 или СЧ15.

Ковкий чугун обладает большей пластичностью, т.е. может обрабатываться пластической деформацией. В марку ковкого чугуна заключают уровень пластичности (% остаточной деформации) и прочность на удлинение (или сжатие): КЧ6-32. Легированием ковкого чугуна получают жаростойкие чугуны, например, ЖЧХ (жаростойкий чугун хромированный).

Сталь - наиболее распространенный материал в промышленности. Стали бывают:

- углеродистые (сплав железа и углерода с содержанием последнего менее 2%);

- качественные;

- легированные.

Углеродистые стали, например, У7, У15 (число указывает содержание углерода в десятых долях процента), применяются для изготовления дешевого режущего инструмента.

Качественные стали подразделяются на стали обычного качества и качественные стали. Обычные стали включают 6 групп, номер каждой из которых является маркой стали, например, АСт8 или БСт10. Заглавной буквой обозначается вид контроля материала (А - контролируются механические характеристики материала (стали улучшенного качества), Б - контролируются химический состав материала, а именно содержание серы и фосфора, ухудшающих качество стали, В - контролируются определенный химический состав и механические характеристики материала). Качество качественных сталей, например, улучшено за счет введения марганца (Г), который улучшает механические характеристики и уменьшает коррозию. Маркировка стали включает содержание углерода в сотых долях процента и обозначение марганца, например, Сталь 15Г.

В химической промышленности чаще используются легированные стали, где легирующие элементы вводятся в расплав стали. Причем для малолегированных сталей содержание легирующих элементов невелико - 2-3%. Пример:

Ст25КМ,

где содержание углерода указано в сотых долях процента, отсутствие цифры за легирующим элементом означает, что его доля составляет менее 1%, при этом необходимо учитывать, что суммарное содержание легирующих элементов не должно превышать 2-3%. Среднелегированные стали содержат до 10% легирующих элементов. Пример обозначения:

Ст8ХНТ,

где содержание углерода указано в сотых долях процента, доля легирующих элементов - не более 10%. Содержание легирующих элементов у высоколегированных сталей составляет 20-50%. Наиболее широко в химической промышленности используется Ст12Х18Н10Т.

Наиболее широко используются такие легирующие элементы, как марганец, увеличивающий коррозийную и литьевую стойкости, ванадий и вольфрам (придают стали прочность, коррозийную стойкость и износостойкость), а также кремний, придающий стали ударную прочность.

В соответствие со стандартами для черных металлов и сплавов для легирующих элементов приняты следующие обозначения: Г - марганец; Д - медь; Ю - алюминий; М - молибден; Н - никель; Т - титан; Х - хром; Ф - ванадий; В - вольфрам; С - кремний.

Отличительной особенностью стали является то, что ее свойства определяются термообработкой стали. Влияние термообработки на качество стали - целенаправленное термическое воздействие на готовую сталь, а именно отжиг, нормализация или закалка. Отжигом является нагревание стали свыше 1000єС с последующим медленным охлаждением (100єС в час). Отжиг позволяет устранить внутренние дефекты металла, сталь становится мягче и легче обрабатывается. Нормализация - нагрев и относительно быстрое охлаждение стали, обеспечивает равенство свойств материала по всему объему заготовки. Закалка стали заключается в нагревании металла до 1000-1200єС с условием быстрого охлаждения (600єС в час), причем охлаждение может осуществляться в воде или масле. Закалка обеспечивает повышенную твердость на поверхности детали. Наряду с термообработкой, также используется химико-термическая обработка, в режиме которой самыми распространенными являются цементация (обработка нагретой стали угарным газом, понижающая содержание углерода в стали на 0,2-0,3% и увеличивающая поверхностную прочность материала). Азотирование - процесс насыщения азотом поверхностного слоя нагретой детали, осуществляемое в среде аммиака. Азот, проникающий до 0,5 мм глубины, увеличивает твердость поверхности. Сочетание цементации и азотирования называется цианированием, в режиме которого нагретая деталь выдерживается в смеси угарного газа и аммиака, в результате чего увеличивается коррозийная стойкость материала детали. Воронение - способ насыщения углеродом поверхности детали, в ходе которого нагретую сталь помещают в мелкий порошок угля. Воронение применяется в малосерийном производстве. Наряду с воронением, придающим цвет детали, используются хромирование и никелирование - покрытие хромом и никелем соответственно.

Цветные металлы и сплавы.

Выполненные из цветного металла или сплава изделия отличаются от стальных меньшей плотностью, повышенной коррозийной стойкостью, меньшим коэффициентом трения, при этом 5-10 раз дороже стальных, что ограничивает их применение.

Цветные металлы и сплавы изготавливаются с использованием алюминия, титана, меди, цинка, олова и свинца. Из алюминиевых сплавов широко распространены дюралюминий (ДМ-1) и силумин (Л-1), используемые для изготовления легких деталей (например, крыльев самолета). Титан используется как легирующий элемент в производстве летательных аппаратов, двигателей, работающих при невысокой температуре. Сам титан самодостаточен, имеет плотность с = 4,8 г/см3, его прочность составляет 60-70% от стали.

Класс цветных сплавов составляют латуни (сочетание меди и цинка) и бронзы. Латуни (например, Л60, где 60% меди и 40% цинка) относительно легкие, имеют средний по величине коэффициент трения. Бронза дороже, чем латунь, используется с добавлением легирующих элементов. Например, БрОЦС-3-2-2 - бронза, содержащая 3% олова (О), 2% цинка (Ц) и 2% свинца (С).

Наибольшее распространение в промышленности находят Баббит 83 (сплав свинца (80%) и олова (20%), используемый чаще для изготовления вкладышей в подшипники скольжения, мягкий, с малым коэффициентом трения) и мельхиор - сплав меди (68%), никеля (30%), железа (1%) и цинка (1%).

Легирующие элементы цветных металлов и сплавов имеют обозначения: А - алюминий, Ж - железо, Мт - марганец, М (Мд) - медь, О - олово, Ц - цинк, Ф - фосфор, С - свинец.

Полимеры (пластмассы).

Пластмассы получают за счет использования органических соединений, отличаются малой плотностью (весом), коррозийной стойкостью, относительной дешевизной и технологичностью в изготовлении. Главной особенностью полимеров является химическая стойкость при невысоких прочностях. Пластмассы работают при невысоких температурах.

Пластмассы разделяются на:

- пластмассы термостойкие (или термопласты);

- термореактивные пластмассы;

Термопласты при нагревании могут быть вторично обработаны деформацией (вторичная обработка). К ним относят полиэтилен низкого давления, полиэтилен высокого давления, поливинилхлорид (ПВХ), капроны, фторопласт (имеет наименьший коэффициент трения, нейтральный, но при повышении температуры до 500єС разлагается с выделением фосгена).

Термореактивные пластмассы не подлежат вторичной обработке, чаще выполняются как комбинации различных волокнистых материалов.

В отличие от пластичных материалов (пластмасс) керамические материалы, изготавливаемые на основе природных глин, имеют тестообразную структуру с добавлением связующих элементов. Керамические материалы в основном применяются для футеровки (обмазка внутренней поверхности реакторов).

Композиционные материалы (композиты).

Композиты - сочетание нескольких материалов с сохранением явной границы между ними. Примером композита может служить турбинная лопатка, изготавливаемая заливкой волокон молибдена и ванадия никелевой основой. Лопатки турбин работают при температурах около 300єС и вынуждены выдерживать большие механические нагрузки. Необходимость рассмотрения свойств материала связана с выбором материала. Немаловажным является также выбор уплотнительного материала, при этом учитывается то, что он должен обладать упруго-элатсичными свойствами для того, чтобы этот материал мог заполнить неровности между контактирующими поверхностями (например, фланцами), что обеспечивает герметичность рабочего объема. Упруго-эластичными свойствами обладают резина, прорезиненная ткань, кожа, картон, паронит, фибра (бумага, обработанная хлористым цинком), асбест (в чистом виде не используется, т.к. является канцерогеном, поэтому применяется в металлической оболочке).

14. Аппараты с механическим перемешивающим устройством

Аппарат - разновидность емкостного оборудования, в котором реализуется целая гамма технологических процессов, которые, как правило, сопровождаются перемешиванием. В производстве используется много разновидностей емкостного оборудования, работающего при высоких температурах и больших давлениях, что накладывает особые отпечаток на расчет оборудования, а именно повышенные требования прочности, герметизации, для химического производства - коррозийной стойкости. Емкостные аппараты, работающие под давлением р >> 0,07 МПа, должны быть подвержены контролю со стороны комитета Госгортехнадзора, который разрабатывает нормы по прочности и стандарты по проверке оборудования. Некоторые элементы аппарата нормализованы в стандартах, однако в последнее время многие из них устарели.

В промышленности используются аппараты вертикальные и горизонтальные, чаще всего реакторы с механическим перемешивающим устройством вертикального исполнения (Рис. 14.1).

Рис. 14.1

Основной динамический узел аппарата - привод (мотор-редуктор), который нижнем фланцем базируется на стойке привода, выполненной с прорезанными окнами, через которые можно рассмотреть, а также вести монтаж и регулировку работы узлов (муфт, подшипников) в стойке. Муфта соединяет выходной вал редуктора с валом мешалки, который проходит по всей длине реактора. Вал базируется на подшипниках, один из которых (обычно верхний) является опорно-упорным, другой (нижний) - радиальный. Таким образом, вал подвешен на верхнем подшипнике. Стойка привода располагается на крышке аппарата, для этого базирования на крышке изготавливается опорная бобышка, закрепленная со стойкой болтовым соединением. Раньше стойки исполнялись как нормализованные детали, и заводы, изготавливающие аппараты, покупали их, однако сейчас эти нормали не действуют, поэтому стойки изготавливаются самими заводами. В месте выхода вала из крышки аппарата устанавливается модуль уплотнения, обеспечивающий герметичность аппарата. С помощью фланцевого соединения укреплена на корпусе аппарата крышка аппарата, который, в свою очередь, имеет опорные элементы - либо боковые лапы, либо опорные стойки. Для связи с внешним миром корпус обеспечивается комплексом штуцеров и люков, которые располагаются на крышке аппарата. Взаимодействие узлов аппарата приводит к вращению вала, получающего крутящий момент от мотор-редуктора. При необходимости поддержания температурного режима аппарата корпус аппарата обеспечивается тепловой рубашкой, снабженной штуцером подачи пара (теплоносителя) и штуцером вывода конденсата. Если температура наружной поверхности аппарата больше 45єС, то для аппарата требуется изоляция (обмазка), которая изготавливается на месте монтажа аппарата на фундаменте (прочность фундамента проверяется специальным расчетом).

Срок службы емкостного оборудования, в том числе и мешалок, исчисляется тысячами рабочих часов, только при расчете аппарата закладывается не определенный срок службы (в годах или часах). Основной проблемой расчета аппарата являются прочность и герметичность рассчитываемого аппарата.

Корпус аппарата.

Базовым элементом аппарата, обеспечивающий его прочность, является корпус. Как правило, корпус представляет собой неразъемный сварной узел, который имеет фланец для соединения с крышкой. Основной объем корпуса выполнен как цилиндрическая обечайка, свариваемая из листа. Нижний меридиональный шов позволяет укрепить днище аппарата с корпусом (Рис. 14.2).

Рис. 14.2

Расчет корпуса аппарата выполняется на прочность и устойчивость. Расчет на прочность заключается в определении толщины стенки обечайки корпуса при воздействии на него внутреннего давления р. В теории оболочек рассматриваются оболочки толстостенные и тонкостенные. В металле толстостенной оболочки при действии внутреннего давления р работают напряжения меридиональные ут, касательные уф и радиональные уr (Рис. 14.3).

Рис. 14.3

Расчет на прочность в этом случае представляет собой громоздкий математический аппарат с дифференциальными уравнениями второго порядка. Однако в случае тонкостенных оболочек, как показывает практика, действуют только меридиональные ут и касательные уф напряжения (Рис. 14.4).

Рис. 14.4

Прочностью тонкостенных оболочек занимался Лаплас. Теория Лапласа показывает связь формы и габаритов оболочки с давлением. Радиальная толщина Sr обечайки аппарата, подверженная действию внутреннего давления р, рассчитывается по формуле:

,

где сm - радиус кривизны меридионального сечения;

сt - радиус кривизны поперечного сечения.

В нашем случае сm стремится к бесконечности:

,

тогда:

.

Величина меридионального напряжения ут определяется методом сечения (Рис. 14.5).

Рис. 14.5

Суммарное усилие Р от давления р, которое стремится оторвать крышку аппарата от обечайки, определяется:

,

тогда:

.

Сопоставление уt и уm показывает, что:

,

т.е. наиболее опасным напряжением является напряжение в продольном сварном шве, и все обечайки под действием внутреннего давления разрушаются именно по продольному шву.

При заданном внутреннем диаметре D корпуса аппарата:

,

где Dн - наружный диаметр корпуса аппарата,

толщина Sr стенки обечайки аппарата:

,

где ц - коэффициент сварного шва, показывающий, на сколько прочность сварного шва меньше прочности основного материала.

Коэффициент сварного шва ц зависит от конфигурации шва, а также режима сварки и, как правило, принимает значения:

.

Остальные элементы корпуса аппарата рассчитываются исходя из подобных соображений. Толщина SEr эллиптического днища корпуса:

. (14. 1)

Множитель 0,5 в произведении с величиной давления р показывает, что эллиптическое днище является наиболее рациональной формой с точки зрения металлоемкости.

Исполнительная толщина Sисп стенки обечайки учитывает прибавку С1 для компенсации коррозии и эрозии, прибавку С2, обеспечивающую компенсацию минусового допуска в условиях проката и технологическую прибавку С3:

.

Расчетная толщина Sr не зависит от длины (высоты) обечайки, если в качестве давления, действующего на нее, рассматривать только внутреннее давление. Наружное давление рн не разрушает корпус аппарата, но способно привести к потери устойчивости обечайки (Рис. 14.6).

Рис. 14.6

Вид деформации в этом случае зависит от габаритов обечайки корпуса. Расчет корпуса на устойчивость проводится с использованием полуэмпирической формулы:

,

где lр - расчетная длина обечайки корпуса аппарата,

Е - модуль упругости материала обечайки.

Днища и крышки аппаратов часто представляют собой штамповочные изделия. Эллиптические днища применяются в аппаратах, обрабатывающих невязкие жидкости и материалы, в случае вязкой среды используются конические днища. Конфигурация днища определяется выпуском (сливом) продукта (из эллиптического днища трудно слить вязкую смесь).

Сварные швы.

Сварка обычно производится для деталей равной толщины и одинакового материала. При сварке цилиндрической обечайки корпуса и днища аппарата в зоне А возникают термические (остаточные) напряжения, в зоне изгиба (зона Б) остается район с остаточными механическими напряжениями (Рис. 14. 7). Наложение этих двух зон (А и Б) опасно, поэтому для того, чтобы их разнести используют отбортовку (цилиндрический участок у штамповочного днища), позволяющую разнести опасные зоны остаточных напряжений.

Рис. 14.7

Наиболее часто используются сварные швы, выполненные встык или (реже) внахлест, швы тавровые и угловые. Наиболее простым и надежным (прочным) из них является стыковой шов (Рис. 14.8).

Рис. 14.8

Рассчитывается стыковой сварной шов исходя из того, что при нагружении шов терпит усилия (чаще растягивающие, реже - сжимающие), что ведет к возникновению нормального напряжения у:

,

где l - длина сварного шва.

Угловой шов представляет собой зону расплава, и при любом нагружении детали в металле шва появляются либо касательные, либо нормальные напряжения, вызванные усилием среза Qср моментом работающей на плече силы F (Рис. 14.9).

Рис. 14.9

В угловых швах разрушение происходит по диагонали А1А2. Если k - катет сварного шва, то сечение излома рассматривается как некая доля от сварного габарита, то возникающее при срезе касательное напряжение ф (или нормальное напряжение у при изгибе) определяется:

,

где l - длина сварного шва;

k1 - коэффициент пропорциональности (порядка 0,9).

Множитель 0,6 в формуле (XIV. 2) вводится для перехода к касательному напряжению.

Допускаемое напряжение углового сварного шва меньше, чем допускаемое напряжение стыкового шва, что объясняет стремление использовать стыковой шов, особенно для работающих при больших давлениях аппаратов.

Мешалки.

Конфигурацию мешалки определяет назначение аппарата, в следствие чего мешалки (активаторы) делят на:

- мешалки ламинарного типа;

- турбинные мешалки;

Мешалки ламинарного типа (Рис. 14.10) организуют механический процесс перемешивания в ламинарном (безвихревом) режиме. Например, при коническом днище рамная мешалка гасит вихри, однако для вязких сред мешалки с большой поверхностью работают при малых оборотах.



Рис. 14.10

Турбинные мешалки (Рис. 14.11) обеспечивают турбулентный (вихревой) режим перемешивания, возникающие при этом вихри распределяются по всему объему невязкой жидкости. Лопастная мешалка при своем вращении заставляет среду обтекать лопасть с образованием вихрей, обеспечивая при этом механическое и гидромеханическое перемешивания. Турбинные мешалки работают при больших частотах (100-250 об/мин).

Рис. 14.11

По технологии изготовления активаторы выполняются либо сварные, либо сборные с использованием различных соединений.

Фланцевые соединения.

Надежность и прочность аппарата во многом определяется конструкцией фланцевого соединения, предназначенного для прочного и герметичного соединения деталей и узлов реактора. Фланцевые соединения обеспечивают удобства при монтаже, сборке и разборки аппарата. Выбор фланцевого соединения определяется давлением в аппарате. При относительно малых давлениях (?0,2 МПа) используются плоские фланцы с гладкогерметирующей поверхностью, т.е. фланец представляет собой плоское кольцо с гладкой поверхностью стыка, которое приваривается либо к крышке, либо к обечайке аппарата (Рис. 14.12). При этой конфигурации используется угловой сварной шов, герметизация стыка обеспечивается прокладкой, выполненной из паронита, резины или другого композиционного материала, сами фланцы резьбовым соединением прижимаются друг к другу, (безжалостно!) раздавливая прокладку.

Рис. 14.12

При повышении давления прокладка, находящаяся на гладкой поверхности может быть выдавлена, поэтому для средних величин давлений (?0,5 МПа) используется фланцевое соединение с типом уплотнительной поверхности - выступ-впадина (Рис. 14. 13).



Рис. 14.13

Верхний фланец этого соединения имеет выступ, нижний - организует впадину, в которую вкладывается кольцевая прокладка, раздавливаемая резьбовым соединением фланцев. Такая организация фланцевого соединения обеспечивает сохранность, т.е. невыдавливаемость, прокладки.

При высоких давлениях (> 0,5 МПа) фланцы приварные встык с герметирующей поверхностью типа шип-паз (Рис. 14.14).

Рис. 14.14

В данном соединении герметизация осуществляется за счет раздавливания шипом прокладки, расположенной в пазе нижнего фланца. Прокладка, сжатая в замкнутая в замкнутом объеме, не будет выдавливаться повышенным давлением в корпусе аппарата.

Уплотнительные устройства подвижных соединений.

При малых избыточных давлениях (порядка 0,05 МПа) герметизация подвижных соединений обеспечивается манжетными уплотнениями, чаще всего применяемых для уплотнения подшипниковых узлов (Рис. 14.15).



Рис. 14.15

Манжета представляет собой вставляемый в углубление корпуса или крышки аппарата корпус, выполненный из кислотномаслостойкой резины. В резину манжеты встраивается арматура - металлическое кольцо, обеспечивающее большую жесткость манжеты, пружина прижимает манжету к валу. Поджатие резины манжеты к стали вала довольно сильное вплоть до того, что резина истирает сталь вала, поэтому во многих случаях участок вала под уплотнение подвергают локальной термообработке токами высоких частот. Такая конфигурация манжеты не позволяет выпускать пары масла из подшипникого узла.

При давлениях, средних по величине (< 0,3…0,5 МПа), для уплотнения вращающихся деталей используются сальниковые уплотнения (Рис. 14.16).



Рис. 14.16

Корпус уплотнения, устанавливающийся на крышке аппарата, имеет карман для расположения сальниковой набивки, раздавливаемой нажимной втулкой, тем самым препятствуя проникновение паров в атмосферу. Сама набивка может быть выполнена из резины или фторопласта. По мере истирания набивки ее можно поджать втулкой. Достоинствами сальниковых уплотнений являются простота и дешевизна изготовления.

При давлениях свыше 0,5…0,6 МПа используются торцевые уплотнения. Термин «торцевое уплотнение» поясняет, что в основе работы уплотнения лежит использование подвижного кольца 2, вращающегося вместе с валом, и поджимаемого к вращающемуся валу неподвижного кольца 3 (Рис. 14. 17).



Рис. 14.17

Особенность торцевых уплотнений заключается в их самоцентровке и притирания без внешнего поджатия. Уплотнение снабжено вращающимся колесом 2 на валу 1, соединенных с натягом, запрессованное в обойму 4 графитовым (графит может быть заменен пирографитом или углефторопластом) колесом 3, упруго поджатым пружиной 5, крышкой 6 и шпилечным соединением 7. Достоинством графита является его способность притираться к ответному торцу, тогда при малом коэффициенте трения между графитом и стальным шлифованным кольцом 3 обеспечивается герметичность. Иногда, для полной надежности уплотнительного узла, торцевые уплотнения снабжаются дополнительными колечками 8.

Размещено на Allbest.ru